CN115586375A - 一种基于互耦环缝的5g平面电磁传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器及测量方法，涉及射频和微波工程技术领域。本发明包括地线GND层，其用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；介质层，其用于形成类LC谐振腔体；微带线层，其用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配；如所述地线GND层包括两个圆环蚀刻组成的互耦环缝谐振结构和基片集成波导结构。本发明通过地线GND层、介质层、微带线层的设置，实现同时测量样品的复介电常数或复磁导率，提高测量复介电常数和复磁导率的测量精度。
Description
技术领域
本发明属于射频和微波工程技术领域，特别是涉及一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器及测量方法。
背景技术
复介电常数和复磁导率是射频和微波工程中材料最重要的参数之一。微波设备的基板中所用材料的介电性能和磁性能，会影响微波平面电路的响应和优劣。为了对复杂的微波设备进行建模，必须先测量微波设备的基板中所用材料的复介电常数和复磁导率。
因此，准确测定材料的复介电常数和复磁导率是射频和微波工程领域的重要任务。除了在微波工程中，其他诸如食品，医疗保健、农业等各个领域，也需要对复介电常数和复磁导率进行精确测量。复介电常数包括介电常数和电损耗正切值，复磁导率包括磁导率和磁损耗正切值。
现有技术中，很少有传感器能同时测量复介电常数和复磁导率。并且在测量的过程中，存在着设备繁琐，灵敏度低，难以在高频段进行测量等问题。因此，提供一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器及测量方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器及测量方法，实现同时测量样品的复介电常数或复磁导率，提高测量复介电常数和复磁导率的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
作为本发明提供的第一个方面，本发明为一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，包括：地线GND层，其用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；介质层，其用于形成类LC谐振腔体；微带线层，其用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配；如所述地线GND层包括两个圆环蚀刻组成的互耦环缝谐振结构和基片集成波导结构；其中，两个圆环蚀刻的开缝口方向相同，作为复介电常数测量区域、复磁导率测量区域；该结构与被测物样品形成微变等效电路。
进一步的，两个圆环一个为外环，一个为内环；
复磁导率测量区域以外的区域的电场强度大、磁场强度小，作为复介电常数测量区域；
外环的开缝口向外延伸，向外延伸的区域电场强度小、磁场强度大，作为复磁导率测量区域。
进一步的，所述地线GND层为一块蚀刻有双环互耦环缝结构的矩形金属；
其中，所述双环互耦环缝结构的外环的内圆半径为2.17mm、外圆半径为2.38mm；
所述双环互耦环缝结构的内环的内圆半径为1.31mm、外圆半径为1.12mm。
进一步的，2个所述圆环蚀刻的开缝口分别为：
所述外环在平行垂直于微带线层的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.3mm；
所述内环在平行垂直于微带线层的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.15mm。
进一步的，所述地线GND层和微带线层的厚度为0-0.02mm，所述地线GND层(3)和微带线层的材质为金、银和铜中任意一种，或者是与金、银和铜中任意一种具有相同导电率的导电材料。
进一步的，所述复磁导率测量区域中：基片集成波导围绕磁导该区域排列，每个基片集成波导的直径大小为0.4mm；平行与复磁导率测量区域的排列间隔为0.8mm,垂直与复磁导率测量区域的排列间隔为0.5mm。
进一步的，所述微带线层为一条从介质层中间位置纵向穿过的微带线，所述微带线层尺寸为20.6mm×0.4mm；
所述微带线层上增加了2块50欧姆的贴片电阻或在微带线层上集成金属贴片；
所述金属贴片对应地线GND层(3)的复磁导率测量区域，金属贴片的尺寸为2.6mm×0.9mm。
进一步的，所述介质层的尺寸为35mm×26mm×0.813mm，且允许在该尺寸的基础上上下浮动0.0015mm，所述介质层的材质为介电常数为3.66且损耗正切值为0.004的RO4350材料。
进一步的，作为复介电常数测量传感器时，测量频带为2.99GHz-4.17GHz，有效测量范围为：介电常数为1-10、电损耗正切值为0-0.1的样品被测物；
作为复磁导率测量传感器时，测量频带为3.76GHz-4.17GHz，有效测量范围为：磁导率为1-2、磁损耗正切值为0-0.5的样品被测物；
所述5G平面电磁传感器的工作频段包括5G的n77、n78和n79三个频段；
复介电常数包括介电常数和电损耗正切值，复磁导率包括磁导率和磁损耗正切值。
作为本发明提供的第二个方面，本发明提供一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的复介电常数和复磁导率的测量方法，所述的方法基于第一个方面所述的5G平面电磁传感器实现，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：测量被测物样品的复磁导率：
步骤S01：将被测物样品放置在复磁导率测量区域上；
步骤S02：在3.5GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S03：确定S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S04：根据谐振频率确定所述样品的磁导率，根据插入损耗确定所述样品的磁损耗正切值；
步骤S2：测量被测物样品的
步骤S021：将被测物样品放置在复介电常数测量区域上；
步骤S022：在2.8GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量所述互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S023：确定所述S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S024：根据所述谐振频率确定所述被测物样品的介电常数，根据所述插入损耗确定所述被测物样品的电损耗正切值。
本发明具有以下有益效果：
本发明中地线GND层通蚀刻用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；介质层用于形成类LC谐振腔体；微带线层用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配，实现同时测量样品的复介电常数或复磁导率，提高测量复介电常数和复磁导率的测量精度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的三维结构图；
图2为基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的地线GND层示意图；
图3为5G平面电磁传感器的互耦环缝谐振结构的平面示意图；
图4为复介电常数和复磁导率的测量方法的流程图；
图5为互耦环缝谐振结构的等效电路图；
图6为在3.76GHz-4.17GHz的频段谐振下5G平面电磁传感器测量复磁导率的S21参数曲线示意图；
图7为在2.99GHz-4.17GHz的频段谐振下5G平面电磁传感器测量复介电常数的S21参数曲线示意图；
图8为基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的结构局部放大图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“尺寸”、“顶”、“中”、“宽度”、“侧”、“端”、“底”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
如图1-2所示，本发明为一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，包括：地线GND层3，其用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；介质层2，其用于形成类LC谐振腔体；微带线层1，其用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配；如图2所示，所述地线GND层3包括两个圆环蚀刻组成的互耦环缝谐振结构和基片集成波导结构；其中，两个圆环蚀刻的开缝口方向相同，并分别作为复介电常数测量区域、复磁导率测量区域；该结构与被测物样品形成微变等效电路，如图5所示。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，两个圆环一个为外环，一个为内环；
复磁导率测量区域以外的区域的电场强度大、磁场强度小，作为复介电常数测量区域；
外环的开缝口向外延伸，向外延伸的区域电场强度小、磁场强度大，作为复磁导率测量区域。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述地线GND层3为一块蚀刻有双环互耦环缝结构的矩形金属；
其中，所述双环互耦环缝结构的外环的内圆半径为2.17mm、外圆半径为2.38mm；
所述双环互耦环缝结构的内环的内圆半径为1.31mm、外圆半径为1.12mm。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，2个所述圆环蚀刻的开缝口分别为：
所述外环在平行垂直于微带线层1的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.3mm；
所述内环在平行垂直于微带线层1的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.15mm。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述地线GND层3和微带线层1的厚度为0-0.02mm，所述地线GND层(3)和微带线层1的材质为金、银和铜中任意一种，或者是与金、银和铜中任意一种具有相同导电率的导电材料。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，如图2所示，所述复磁导率测量区域中：围绕磁导该区域排列有一圈基片集成波导，每个基片集成波导的直径大小为0.4mm；平行与复磁导率测量区域的排列间隔为0.8mm,垂直与复磁导率测量区域的排列间隔为0.5mm。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述微带线层1为一条从介质层2中间位置纵向穿过的微带线，所述微带线层1尺寸为20.6mm×0.4mm；
所述微带线层1上增加了2块50欧姆的贴片电阻或在微带线层上集成金属贴片；
所述金属贴片对应地线GND层(3)的复磁导率测量区域，金属贴片的尺寸为2.6mm×0.9mm。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，所述介质层2的尺寸为35mm×26mm×0.813mm，且允许在该尺寸的基础上上下浮动0.0015mm，所述介质层2的材质为介电常数为3.66且损耗正切值为0.004的RO4350材料。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，作为复介电常数测量传感器时，测量频带为2.99GHz-4.17GHz，有效测量范围为：介电常数为1-10、电损耗正切值为0-0.1的样品被测物；
作为复磁导率测量传感器时，测量频带为3.76GHz-4.17GHz，有效测量范围为：磁导率为1-2、磁损耗正切值为0-0.5的样品被测物；
所述5G平面电磁传感器的工作频段包括5G的n77、n78和n79三个频段；
复介电常数包括介电常数和电损耗正切值，复磁导率包括磁导率和磁损耗正切值。
实施例二：
如图4所示，作为本发明提供的第二个实施例，本发明提供一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的复介电常数和复磁导率的测量方法，所述的方法基于第一个方面所述的5G平面电磁传感器实现，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：测量被测物样品的复磁导率：
步骤S01：将被测物样品放置在复磁导率测量区域上；
步骤S02：在3.5GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S03：确定S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S04：根据谐振频率确定所述样品的磁导率，根据插入损耗确定所述样品的磁损耗正切值；
步骤S2：测量被测物样品的
步骤S021：将被测物样品放置在复介电常数测量区域上；
步骤S022：在2.8GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量所述互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S023：确定所述S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S024：根据所述谐振频率确定所述被测物样品的介电常数，根据所述插入损耗确定所述被测物样品的电损耗正切值。
测试结果如图6-7所示，本发明中地线GND层通蚀刻用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；介质层用于形成类LC谐振腔体；微带线层用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配，实现同时测量样品的复介电常数或复磁导率，提高测量复介电常数和复磁导率的测量精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，包括：
地线GND层(3)，其用于形成等效电路，并通过与被测物样品接触，测量样品的复介电常数和复磁导率；
介质层(2)，其用于形成类LC谐振腔体；
微带线层(1)，其用于传输信号，并且使信号输出端与负载进行匹配；
所述地线GND层(3)包括两个圆环蚀刻组成的互耦环缝谐振结构和基片集成波导结构；
其中，两个圆环蚀刻的开缝口方向相同，两个圆环包围区域作为复介电常数测量区域、复磁导率测量区域。
2.根据权利要求1所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，两个圆环一个为外环，一个为内环；
复磁导率测量区域以外的区域的电场强度大、磁场强度小，作为复介电常数测量区域；
所述外环的开缝口向外延伸，向外延伸的区域电场强度小、磁场强度大，作为复磁导率测量区域。
3.根据权利要求2所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，所述地线GND层(3)为一块蚀刻有双环互耦环缝结构的矩形金属；
其中，所述双环互耦环缝结构的外环的内圆半径为2.17mm、外圆半径为2.38mm；
所述双环互耦环缝结构的内环的内圆半径为1.31mm、外圆半径为1.12mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，2个所述圆环蚀刻的开缝口分别为：
所述外环在平行垂直于微带线层(1)的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.3mm；指的是内外环缝口
所述内环在平行垂直于微带线层(1)的底端蚀刻有一条开缝口，开缝口宽度为0.15mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，所述地线GND层(3)和微带线层(1)的厚度为0-0.02mm，所述地线GND层(3)和微带线层(1)的材质为金、银和铜中任意一种，或者是与金、银和铜中任意一种具有相同导电率的导电材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，围绕所述复磁导率测量区域排列有一圈基片集成波导，基片集成波导即为铜柱，每个基片集成波导的直径大小为0.4mm；平行与复磁导率测量区域的排列间隔为0.8mm,垂直与复磁导率测量区域的排列间隔为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于：
所述微带线层(1)为一条从介质层(2)中间位置纵向穿过的微带线，所述微带线层(1)尺寸为20.6mm×0.4mm；
所述微带线层(1)上增加了2块50欧姆的贴片电阻或在微带线层上集成金属贴片；
所述金属贴片对应地线GND层(3)的复磁导率测量区域，金属贴片的尺寸为2.6mm×0.9mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于，所述介质层(2)的尺寸为35mm×26mm×0.813mm，所述介质层(2)的材质为介电常数为3.66且损耗正切值为0.004的RO4350材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器，其特征在于：
作为复介电常数测量传感器时，测量频带为2.99GHz-4.17GHz，有效测量范围为：介电常数为1-10、电损耗正切值为0-0.1的样品被测物；
作为复磁导率测量传感器时，测量频带为3.76GHz-4.17GHz，有效测量范围为：磁导率为1-2、磁损耗正切值为0-0.5的样品被测物；
所述5G平面电磁传感器的工作频段包括5G的n77、n78和n79三个频段；
复介电常数包括介电常数和电损耗正切值，复磁导率包括磁导率和磁损耗正切值。
10.一种基于互耦环缝的5G平面电磁传感器的复介电常数和复磁导率的测量方法，其特征在于，所述的方法基于权利要求1-9任意一项所述的5G平面电磁传感器实现，所述的方法包括以下步骤：
步骤S1：测量被测物样品的复磁导率：
步骤S01：将被测物样品放置在复磁导率测量区域上；
步骤S02：在3.5GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S03：确定S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S04：根据谐振频率确定所述样品的磁导率，根据插入损耗确定所述样品的磁损耗正切值；
步骤S2：测量被测物样品的
步骤S021：将被测物样品放置在复介电常数测量区域上；
步骤S022：在2.8GHz-4.2GHz频段的谐振下，使用矢量网络分析仪测量所述互耦环缝的5G平面电磁传感器，得到传输系数中心频率S21参数曲线；
步骤S023：确定所述S21参数曲线的谐振频率和插入损耗；
步骤S024：根据所述谐振频率确定所述被测物样品的介电常数，根据所述插入损耗确定所述被测物样品的电损耗正切值。
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